Теория работы. Протекание электрического тока в проводниках вызывает их нагревание

Протекание электрического тока в проводниках вызывает их нагревание. Количество теплоты, выделяемой проводником при прохож­дении по нему тока, определяется по закону Джоуля - Ленца:

Q=I²Rt, (1)

где I - сила тока в цепи нагревателя; R – сопро­тивление нагревателя; t - время прохождения тока.

Работа, совершаемая электрическим током при нагревании, в соответствии с законом сохранения энергии равна выделяющейся теплоте и определяется выражением:

А = Q = IUt, (2)

где U - напряжение на клеммах нагревателя.

Мощность электрического нагревателя равна

. (3)

При работе электрического нагревателя всегда имеют место потери энергии (тепла) на излучение и нагрев по­сторонних предметов. Поэтому коэффициент полезного действия h нагревателя всегда меньше единицы и определяется отношением полезно использованного тепла Q_п ко всему теплу Q, выделенному в нагревателе за счет энергии электрического тока:

. (4)

Если на нагревателе производится нагрев жидкости, находящейся в некотором сосуде, то количеством полезно использованной теплоты Q_п следует счи­тать энергию Q ₁ + Q ₂, используемую соответственно на нагревание сосуда (Q ₁) и жидкости (Q ₂) в нем:

(5)

где с ₁ и с ₂ - удельные теплоемкости материала сосуда и жидкости соответственно; m ₁ и m ₂ - масса сосуда и масса жидкости соответственно; t _н и t _к – начальная и конечная температуры жидкости и сосуда, находящихся в тепловом контакте.

С учетом (5) полезно использованная энергия вычисляется по формуле

, (6)

а коэффициент полезного действия с учетом (2), (4) и (6) будет равен:

. (7)

Если КПД нагревателя низок, то значительная часть выделившейся в нагревателе теплоты переходит в окружающую среду. В результате стоимость потребленной электроэнергии окажется неоправданно высокой. Кроме того, выделение теплоты в окружающую среду ведет к ухудшению экологической обстановки. Таким образом, экономические и экологические факторы требуют увеличения КПД нагревателей, который можно повысить за счет снижения потерь энергии путем использования тепловых экранов и улучшения теплоизоляции.